具有主客体三级纳米结构的稀土配合物荧光编码微球的制备及生物检测应用

Lanthanide complexes possess a great application potential in the field of multiplexed biological detection based on fluorescence encoding, owing to their unique luminescence properties including large Stokes shift, and narrow emission peaks. However, main challenges towards fulfilling the potential still remain in terms of stable luminescence and high brightness of the encoding elements, fine-tuning of the encoding fluorescence by controllable loading of different lanthanide complexes in the encoding microspheres. Under this background, we plan to combine the advantages of mesoporous silica microspheres (MSMs) and semiconducting polymer in the enhancement of lanthanide complexes’ luminescence properties in the preparation of novel fluorescence encoded microspheres. The preparation is based on the organic-inorganic composition of lanthanide complexes in small-sized (<10 nm) semiconducting polymer dots (Pdots), and Pdots in large-pore (~15-20 nm) MSMs. A host-guest tertiary structure (lanthanide complex@Pdots@MSMs) will be constructed by large and stable loading of the guest Pdots in the mesopores of the host MSM through a combined method of physical adsorption and chemical conjugation. The encoding of the luminescence microspheres will be carried out by controllable loading of Pdots with varying color and ratio. Finally, the application potential of the encoded microspheres will be demonstrated by multiplexed detection of model antigens.

稀土配合物独特的大Stokes位移和窄带发射荧光特性使其在基于荧光编码的多指标分析生物检测中具有的巨大应用潜力。但是，在编码微球内可控地负载不同发光特征的稀土配合物，实现编码元素稳定、高亮度地发光，并精确调控编码荧光，仍是发挥其潜力面临的主要挑战。在此背景下，本项目拟结合介孔氧化硅微球（MSMs）和半导体聚合物对稀土配合物荧光性能提升各自的优势，通过稀土配合物在小尺寸（<10 nm）半导体聚合物点（Pdots）内、以及Pdots在大孔径（15-20 nm）MSMs内的有机无机材料复合，制备新型荧光编码微球。通过物理吸附-化学偶联结合的装载方法，实现Pdots客体颗粒在MSMs介孔孔道内的大量稳定装载，构建得到一种稀土配合物@Pdots@MSMs的主客体三级结构。最后，通过精确控制和装载不同颜色和比例的Pdots在MSMs主体微球中来实现荧光编码，并通过模式抗原的多指标检测阐释其应用潜力。

稀土配合物配位键在水环境的不稳定性，是妨碍其发挥窄带荧光发射性能应用于多指标生物检测的主要挑战。本项目旨在通过有机无机纳米结构复合的策略建立面向生理体系检测应用的稀土荧光编码材料。首先，利用能同时敏化铕和铽离子的吡啶二四氮唑为配体，制备得到了荧光发射峰窄（半峰宽~13 nm）、荧光寿命长（2-3 ms）的水溶性稀土Eu(Ⅲ)/Tb(Ⅲ)配合物编码元素；其次，通过主客体相互作用，构建了负载稀土配合物的介孔氧化硅、微孔金属有机框架的复合荧光纳米颗粒体系；随后，通过孔道封堵、表面包覆、三级结构封装技术的结合，得到了能在水相中稳定发光的荧光编码颗粒平台，进而应用于模式肿瘤标志物的检测。研究表明：高比表面积多孔材料可以有效分隔稀土配合物客体分子、提高颗粒荧光强度、调控编码元素比例；纳米界面上的静电和π-π堆积作用能促进和实现客体分子的装载、多级结构的自组装；多孔纳米载体的多级封装、疏水微环境，都能在水溶液中为稀土配合物提供稳定的化学和发光微环境，保护其不受水分子和离子的破坏作用和荧光猝灭；生物粘附分子聚多巴胺的表面修饰，有助于颗粒亲水性表面修饰和主客体颗粒的便捷可控偶联。本项目研究解决了稀土配合物在水溶液中的荧光稳定性问题，使悬浮阵列检测技术中荧光编码微球综合荧光性能提升成为可能，为生理体系稀土配合物的保护和荧光增强提供可借鉴的模型，为有机-无机复合主客体结构微球的构建提供理论依据。